【摘要】：本文基于密度泛函理論的第一性原理,研究Al_2CuMg/Al界面的原子結構、不同界面模型的結構穩(wěn)定性以及界面的本質電子相互作用,從原子層面分析探究鋁合金增強相的作用機理;實驗上采用Ti、Nb和Ho合金化Al-Zn-Mg-Cu鋁合金,研究其對合金鑄態(tài)和均勻化態(tài)的微觀組織演變和力學性能的影響。主要研究內容如下:(1)基于前人的實驗結果,建立Al_2CuMg(001)/Al(021)界面模型。通過采用第一性原理方法,計算界面能和粘附功來比較CuMg和Al終端兩種界面模型的穩(wěn)定性。計算結果表明,CuMg終端的Al_2CuMg(001)表面與Al(021)表面之間形成的界面更加穩(wěn)定。計算電子結構結果表明,CuMg終端界面更加穩(wěn)定的主要原因是此界面模型在界面原子Cu 3d、Mg 3p和Al 3p中存在很強的雜化。(2)采用OM、XRD、SEM和DSC等實驗手段,研究添加Ti和Nb元素到Al-Zn-Mg-Cu合金后其鑄態(tài)和均勻化態(tài)微觀組織和相變化情況。實驗結果表明,鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金組織主要是由Al基體和Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶體共晶相組成。當添加Ti和Nb到合金中形成具有D0_(22)結構的Al_3Ti和Al_3Nb相,Ti和Nb主要以該相形式存在。這些合金在經過380℃/24h均勻化處理后,均出現了Al_2CuMg相,該相主要是通過Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶體轉變而成。(3)基于以上實驗發(fā)現,合金化元素Ti和Nb在鋁合金中具有相似的作用,因此采用第一性原理和Rietveld精修方法研究Al_3Ti和Al_3Nb復合相的晶體結構、穩(wěn)定性和力學性能。計算形成能的結果表明,所有的Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶體在熱動力學上是穩(wěn)定的,而且隨著Nb濃度的升高穩(wěn)定性增強。計算的體模量、剪切模量、楊氏模量和泊松比結果也證實了Nb原子加入Al_3Ti后能提高其強度。計算的電子結構分析也揭示了Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶體的金屬性隨著Nb原子濃度的升高而降低。使用Rietveld精修方法得到的結果表明,依靠Rietveld精修方法獲得的Al_3(Ti_(1-x)Nb_x)固溶體點陣參數a或c分別在3.85-3.86?和8.62-8.66?這樣的范圍內,這與本文計算值相吻合。(4)聯合XRD、SEM和DSC等實驗手段,探究不同Ho含量對Al-Zn-Mg-Cu合金的微觀組織和力學性能的影響。實驗結果表明,添加Ho元素能細化合金的晶粒。當Ho元素含量為0.5 wt.%時,晶粒細化效果是最好。鑄態(tài)Al-Zn-Mg-Cu合金中主要由α-Al基體相和Mg(Zn,Al,Cu)_2相組成,加入稀土Ho后有Al_8Cu_4Ho相產生。添加適量的Ho元素能提高合金的抗拉強度和硬度,隨著Ho元素含量的不斷提高,合金的抗拉強度和硬度表現為升高后降低的趨勢。相對于其他Ho含量的合金來說,當Ho元素含量為0.5wt.%時,合金的力學性能是較好的,抗拉強度為156.9 MPa,顯微硬度為147.6 HV。(5)采用XRD、SEM和DSC等實驗手段,以不含Ho和含Ho 0.5 wt.%和0.8 wt.%三種Al-Zn-Mg-Cu合金作為研究代表對象,研究不同均勻化時間和溫度對這些合金微觀組織演變和力學性能的影響。實驗結果表明,含Ho 0.5 wt.%合金的均勻化處理時間定為24h最佳,均勻化溫度設定為465℃為宜。在未含Ho的鑄態(tài)合金經過均勻化處理后,Mg(Zn,Al,Cu)_2固溶體在經過465℃溫度下均勻化后逐步轉化為Al_2CuMg相;含有Ho鑄態(tài)合金中的Al_8Cu_4Ho相在均勻化處理后消失,多余的Ho進入到Al_2Cu相形成固溶體,起到固溶強化的作用。(6)研究Al-Zn-Mg-Cu合金在熱壓縮變形過程中流變應力與變形溫度、應變速率之間的關系,且計算了各種Ho含量鋁合金的熱變形激活能和本構方程。結果表明,流變應力受變形溫度和應變速率的影響顯著,隨著變形溫度的降低和應變速率的升高,流變應力相應增加。加入Ho元素合金的激活能均比不加入的要高,其中加入0.5 wt.%Ho時,鋁合金的熱變形激活能最高,達到156.96 kJ/mol。采用Deform-3D模擬軟件對熱壓縮過程進行模擬,等效應變和等效應力的變化規(guī)律與壓縮試驗得出的結果基本相符。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG146.21
【圖文】：

鋁合金按照工藝特點的分類情況

圖 1-2Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金發(fā)展歷程與方向[8]Fig.1-2 Development progress and trend of Al-Zn-Mg-Cu series aluminum alloys20 世紀 30 年代后期，日本研究者在 Al-Zn-Mg-Cu 合金的基礎上引進 Cr、Mn 和Mo 等合金化元素，成功開發(fā)了一種 Al-7.5Zn-1.5Mg-2Cu-0.6Mn-0.25Cr 的高強 ESD 合金，該合金的抗拉強度高達 600 MPa 以上，同時還兼有較好的抗應力腐蝕性能[10]。1943 年美國研發(fā)出了 7075 合金，因其具有明顯的時效硬化特性而擁有較高的強度，微合金化元素 Cr、Mn 和 Ti 在晶內形成大量提高該合金強度的彌散相，降低合金再結晶百分數，從而大大提高強度[11,12]。隨后，美國還研發(fā)出良好抗應力腐蝕性能的 7079 和 7001 合金，7079 合金曾應用在 B-52 轟炸機上，但飛機在服役過程中暴露出抗大氣腐蝕性能較差的特點，對環(huán)境要求苛刻。1968 年，為了能使得飛機更加輕量化且強度更高，美國研究者們開發(fā)出了牌號為 7008 的鋁合金，應用在機翼蒙皮上[13]。同年，美國鋁業(yè)公司從調整合金成分入手，提高 Zn/Mg 比值，同時降低其他合金化成分的含量來提高合金的韌性和

華南理工大學博士學位論文 450℃且在高于 70℃或低于 70℃長時間時效下才'：一般認為 η'是 Al-Zn-Mg-Cu 系合金的主要強的 MgZn2相，直徑約 10-20nm，厚度約幾納米相，只是 GP II 區(qū)比 GP I 區(qū)穩(wěn)定，由于 GP I 區(qū)比 相與鋁合金基體的取向關系為η Al{0001} / /{111} 496 nm，c=1.402 nm，與基體保持半共格關系。晶界直接析出，不管哪一種的析出方式，這種的強化相，可大大的提高合金的力學性能[30]。其

【參考文獻】

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本文編號：2788038